Espèces chimiques : corps purs et mélanges

Espèce chimique. Ensemble d’un très grand nombre d’entités chimiques identiques (molécules, atomes ou ions). Elle porte un nom et une formule : eau H₂O, éthanol C₂H₆O, dioxyde de carbone CO₂. À température et pression données, chaque espèce a ses propres propriétés physiques : températures de changement d’état, masse volumique.

Corps pur. Échantillon constitué d’une seule espèce chimique. Il est simple si ses entités ne contiennent qu’un seul élément (fer Fe, diazote N₂, hélium He), composé si elles en contiennent plusieurs (eau H₂O, éthanol C₂H₆O).

Mélange. Échantillon constitué d’au moins deux espèces chimiques. Il est :

• homogène si l’on ne distingue pas ses constituants à l’œil nu : une seule phase (vinaigre, acier inoxydable, eau sucrée) ;
• hétérogène si l’on distingue au moins deux phases (granite, sable mouillé, eau et huile).

Miscibilité. Deux liquides miscibles donnent un mélange homogène (eau et éthanol). Non miscibles, ils forment deux phases ; la phase de plus petite masse volumique se place au-dessus.

Définition. La masse volumique d’un échantillon de masse $m$ et de volume $V$ est $$\rho ={\displaystyle \frac{m}{V}}$$ Unité du Système international : le kg·m⁻³. Unités usuelles : g·mL⁻¹ = g·cm⁻³ = kg·L⁻¹, et g·L⁻¹ pour les gaz.

Conversions. 1 g·mL⁻¹ = 1 g·cm⁻³ = 1 kg·L⁻¹ = 1 000 g·L⁻¹ = 1 000 kg·m⁻³ (car 1 mL = 1 cm³ et 1 m³ = 1 000 L).

Valeur à connaître. Eau liquide (vers 20 °C) : ${\rho }_{eau}=1,00$ g·mL⁻¹ $=1,00\times {10}^3$ kg·m⁻³. L’air est environ 800 fois moins dense, les métaux usuels sont plus denses, la plupart des huiles et solvants organiques un peu moins.

Grandeur caractéristique. À température et pression données, la masse volumique d’un corps pur est une propriété de l’espèce : elle ne dépend ni de la quantité ni de la forme de l’échantillon. Elle varie un peu avec la température. Celle d’un mélange dépend de sa composition.

Mesures. Masse : balance, après avoir fait la tare du récipient. Volume d’un liquide : fiole jaugée (précise) ou éprouvette graduée. Volume d’un solide qui coule : déplacement d’eau dans une éprouvette, $V=V_2-V_1$.

Série de mesures. Plusieurs groupes qui mesurent la même grandeur obtiennent des valeurs dispersées (lecture, bulle d’air, balance…). On en prend la moyenne, et l’on compare qualitativement ce résultat à la valeur de référence : un écart petit devant la dispersion des mesures rend le résultat compatible avec cette valeur.

Températures de changement d’état. Sous une pression donnée, un corps pur fond à sa température de fusion ${\theta }_{fus}$ (c’est aussi sa température de solidification) et bout à sa température d’ébullition ${\theta }_{éb}$. Ces valeurs caractérisent l’espèce : l’eau, sous la pression atmosphérique normale, fond à 0 °C et bout à 100 °C.

État à une température θ. Solide si $\theta \<{\theta }_{fus}$ ; liquide si ${\theta }_{fus}\<\theta \<{\theta }_{éb}$ ; gaz si $\theta \>{\theta }_{éb}$.

Corps pur ou mélange ? Pendant le changement d’état d’un corps pur, la température reste constante : la courbe $\theta =f(t)$ présente un palier. Un mélange change en général d’état sur une plage de températures, sans palier net ; les impuretés abaissent la température de fusion et l’étalent.

Mesurer. Température de fusion d’un solide : banc Kofler, plaque chauffante dont la température croît d’un bout à l’autre ; on y fait glisser quelques grains et on lit la température à la limite entre solide et liquide (après étalonnage avec une espèce de référence). Température d’ébullition : thermomètre dans le liquide qui bout.

Principe. La chromatographie sur couche mince (CCM) sépare les espèces d’un mélange. La phase fixe est une fine couche de silice sur une plaque ; la phase mobile, l’éluant, monte le long de la plaque par capillarité et entraîne chaque espèce à sa propre vitesse.

Protocole. Tracer au crayon une ligne de dépôt à environ 1 cm du bas ; y déposer de petites gouttes bien séparées (échantillon et espèces de référence) ; placer la plaque dans une cuve fermée où le niveau d’éluant est sous la ligne de dépôt ; retirer la plaque avant que l’éluant n’atteigne le haut et marquer le front ; sécher ; révéler les espèces incolores (lampe UV, vapeurs de diiode).

Rapport frontal. $$R_f={\displaystyle \frac{h}{H}}$$ $h$ : distance parcourue par l’espèce, $H$ : distance parcourue par l’éluant, toutes deux mesurées depuis la ligne de dépôt. Sans unité, il est compris entre 0 et 1.

Exploiter. Plusieurs taches issues d’un même dépôt → l’échantillon est un mélange. Sur la même plaque, une tache à la même hauteur qu’une référence → l’échantillon contient probablement cette espèce.

Un test chimique met en évidence la présence d’une espèce grâce à une réaction visible :

Ce qu’un test prouve. Un test positif prouve la présence de l’espèce, pas que l’échantillon est un corps pur. Un test négatif indique seulement que l’espèce est absente ou en trop faible quantité.

Pourcentage massique. Dans un mélange de masse totale $m$, une espèce de masse $m_1$ a pour pourcentage massique $$w_1={\displaystyle \frac{m_1}{m}}\times 100$$ La somme des pourcentages massiques de toutes les espèces vaut 100 %. Inversement, $m_1={\displaystyle \frac{w_1}{100}}\times m$.

Pourcentage volumique. Pour un mélange de gaz, on donne souvent le pourcentage en volume : ${\displaystyle \frac{V_1}{V}}\times 100$.

Composition de l’air sec (mélange homogène de gaz) :

Masse volumique de l’air (20 °C, pression atmosphérique normale) : ${\rho }_{air}\approx 1,2$ kg·m⁻³ $=1,2$ g·L⁻¹, environ 800 fois moins que l’eau liquide.

Les pourcentages en masse diffèrent des pourcentages en volume : à volume égal et dans les mêmes conditions, deux gaz contiennent autant de molécules, mais une molécule de dioxygène est plus lourde qu’une molécule de diazote.